Name: ion-exchange membranes for the fabrication of reverse electrodialysis device
Uploaded: 2021-07-20T13:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Ion-Exchange Membranes for the Fabrication of Reverse Electrodialysis Device at JoVE.com

Dit werk werd ondersteund door de National Research Foundation of Korea (NRF) subsidie gefinancierd door de Koreaanse overheid (MEST) (nr. NRF-2017R1A2A2A05001329). De auteurs van het manuscript zijn de Sogang University, Seoul, Republiek Korea dankbaar.

1. Experimentele eis
<ol><li>Koop ionenuitwisselingsionomeerpolymeer, E-550 gesulfoneerde PEEK polymeervezel om CEM en FAA-3 voor te bereiden op AEM. Zorg ervoor dat alle ionomeerpolymeren voor gebruik in een schone, droge en stofvrije omgeving worden opgeslagen.</li>
	<li>Gebruik oplosmiddelen met een hoge zuiverheid (>99%), waaronder N-Methyl-2-pyrrolidone met moleculair gewicht 99,13 g mol-1 en N, N-Dimethylacetamide met moleculair gewicht 87,12, voor het bereiden van homogene ionomeeroplossing. Zorg ervo...

<ol>
	<li>Dlugolecki, P., Gambier, A., Nijmeijer, K., Wessling, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Practical+potential+of+reverse+electrodialysis+as+process+for+sustainable+energy+generation.">Practical potential of reverse electrodialysis as process for sustainable energy generation.</a> Environmental Science &amp; Technology. 43, 6888-6894 (2009).</li><li>Kim, D., Kwon, K., Kim, D. H., Li, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Energy Generation Using Reverse Electrodialysis: Principles, Implementation, and Applications. , (2019).</li><li>Mei, Y., Tang, C. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Recent+developments+and+future+perspectives+of+reverse+electrodialysis+technology:+A+review.">Recent developments and future perspectives of reverse electrodialysis technology: A review.</a> Desalination. 425, 156-174 (2018).</li><li>Yip, N. Y., Brogioli, D., Hamelers, H. V. M., Nijmeijer, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Salinity+gradients+for+sustainable+energy:+primer,+progress,+and+prospects.">Salinity gradients for sustainable energy: primer, progress, and prospects.</a> Environmental Science &amp; Technology. 50, 12072-12094 (2016).</li><li>Li, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+novel+hybrid+process+of+reverse+electrodialysis+and+reverse+osmosis+for+low+energy+seawater+desalination+and+brine+management.">A novel hybrid process of reverse electrodialysis and reverse osmosis for low energy seawater desalination and brine management.</a> Applied Energy. 104, 592-602 (2013).</li><li>Brauns, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Salinity+gradient+power+by+reverse+electrodialysis:+effect+of+model+parameters+on+electrical+power+output.">Salinity gradient power by reverse electrodialysis: effect of model parameters on electrical power output.</a> Desalination. 237, 378-391 (2009).</li><li>Cusick, R. D., Kim, Y., Logan, B. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Energy+capture+from+thermolytic+solutions+in+microbial+reverse-electrodialysis+cells.">Energy capture from thermolytic solutions in microbial reverse-electrodialysis cells.</a> Science. 335, 1474-1477 (2012).</li><li>Kim, D. H., Park, B. H., Kwon, K., Li, L., Kim, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Modeling+of+power+generation+with+thermolytic+reverse+electrodialysis+for+low-grade+waste+heat+recovery.">Modeling of power generation with thermolytic reverse electrodialysis for low-grade waste heat recovery.</a> Applied Energy. 189, 201-210 (2017).</li><li>Hong, J. G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Potential+ion+exchange+membranes+and+system+performance+in+reverse+electrodialysis+for+power+generation:+A+review.">Potential ion exchange membranes and system performance in reverse electrodialysis for power generation: A review.</a> Journal of Membrane Science. 486, 71-88 (2015).</li><li>Choi, S. -. Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Controlling+fuel+crossover+in+open+electrochemical+cells+by+tuning+the+water+nanochannel+for+power+generation.">Controlling fuel crossover in open electrochemical cells by tuning the water nanochannel for power generation.</a> ACS Sustainable Chemistry &amp; Engineering. 8, 8613-8623 (2020).</li><li>Shah, S. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Modified+single-wall+carbon+nanotube+for+reducing+fouling+in+perfluorinated+membrane-based+reverse+electrodialysis.">Modified single-wall carbon nanotube for reducing fouling in perfluorinated membrane-based reverse electrodialysis.</a> International Journal of Hydrogen Energy. 45, 30703-30719 (2020).</li><li>Kwon, K., Han, J., Park, B. H., Shin, Y., Kim, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Brine+recovery+using+reverse+electrodialysis+in+membrane-based+desalination+processes.">Brine recovery using reverse electrodialysis in membrane-based desalination processes.</a> Desalination. 362, 1-10 (2015).</li><li>Kwon, K., Park, B. H., Kim, D. H., Kim, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Parametric+study+of+reverse+electrodialysis+using+ammonium+bicarbonate+solution+for+low-grade+waste+heat+recovery.">Parametric study of reverse electrodialysis using ammonium bicarbonate solution for low-grade waste heat recovery.</a> Energy Conversion and Management. 103, 104-110 (2015).</li><li>Hatzell, M. C., Ivanov, I., Cusick, R. D., Zhu, X., Logan, B. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Comparison+of+hydrogen+production+and+electrical+power+generation+for+energy+capture+in+closed-loop+ammonium+bicarbonate+reverse+electrodialysis+systems.">Comparison of hydrogen production and electrical power generation for energy capture in closed-loop ammonium bicarbonate reverse electrodialysis systems.</a> Physical Chemistry Chemical Physics. 16, 1632-1638 (2014).</li><li>Zhu, X. P., He, W. H., Logan, B. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Reducing+pumping+energy+by+using+different+flow+rates+of+high+and+low+concentration+solutions+in+reverse+electrodialysis+cells.">Reducing pumping energy by using different flow rates of high and low concentration solutions in reverse electrodialysis cells.</a> Journal of Membrane Science. 486, 215-221 (2015).</li><li>Vermaas, D. A., Saakes, M., Nijmeijer, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Doubled+power+density+from+salinity+gradients+at+reduced+intermembrane+distance.">Doubled power density from salinity gradients at reduced intermembrane distance.</a> Environmental Science &amp; Technology. 45, 7089-7095 (2011).</li><li>Veerman, J., Saakes, M., Metz, S. J., Harmsen, G. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Reverse+electrodialysis:+Performance+of+a+stack+with+50+cells+on+the+mixing+of+sea+and+river+water.">Reverse electrodialysis: Performance of a stack with 50 cells on the mixing of sea and river water.</a> Journal of Membrane Science. 327, 136-144 (2009).</li><li>Veerman, J., Saakes, M., Metz, S. J., Harmsen, G. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrical+power+from+sea+and+river+water+by+reverse+electrodialysis:+a+first+step+from+the+laboratory+to+a+real+power+plant.">Electrical power from sea and river water by reverse electrodialysis: a first step from the laboratory to a real power plant.</a> Environmental Science &amp; Technology. 44, 9207-9212 (2010).</li><li>Batchelor, C. K., Batchelor, G. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> An Introduction to Fluid Dynamics. , (2000).</li><li>Schock, G., Miquel, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mass+transfer+and+pressure+loss+in+spiral+wound+modules.">Mass transfer and pressure loss in spiral wound modules.</a> Desalination. 64, 339-352 (1987).</li><li>Da Costa, A. R., Fane, A. G., Wiley, D. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spacer+characterization+and+pressure+drop+modelling+in+spacer-filled+channels+for+ultrafiltration.">Spacer characterization and pressure drop modelling in spacer-filled channels for ultrafiltration.</a> Journal of Membrane Science. 87, 79-98 (1994).</li><li>Vermaas, D. A., Veerman, J., Saakes, M., Nijmeijer, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Influence+of+multivalent+ions+on+renewable+energy+generation+in+reverse+electrodialysis.">Influence of multivalent ions on renewable energy generation in reverse electrodialysis.</a> Energy &amp; Environmental Science. 7, 1434-1445 (2014).</li><li>Vermaas, D. A., Saakes, M., Nijmeijer, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Enhanced+mixing+in+the+diffusive+boundary+layer+for+energy+generation+in+reverse+electrodialysis.">Enhanced mixing in the diffusive boundary layer for energy generation in reverse electrodialysis.</a> Journal of Membrane Science. 453, 312-319 (2014).</li><li>Moreno, J., Grasman, S., van Engelen, R., Nijmeijer, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Upscaling+reverse+electrodialysis.">Upscaling reverse electrodialysis.</a> Environmental Science &amp; Technology. 52, 10856-10863 (2018).</li><li>Sarkar, S., SenGupta, A. K., Prakash, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+donnan+membrane+principle:+opportunities+for+sustainable+engineered+processes+and+materials.">The donnan membrane principle: opportunities for sustainable engineered processes and materials.</a> Environmental Science &amp; Technology. 44, 1161-1166 (2010).</li><li>Kim, H. -. K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High+power+density+of+reverse+electrodialysis+with+pore-filling+ion+exchange+membranes+and+a+high-open-area+spacer.">High power density of reverse electrodialysis with pore-filling ion exchange membranes and a high-open-area spacer.</a> Journal of Materials Chemistry A. 3, 16302-16306 (2015).</li><li>D&#322;ugo&#322;&#281;cki, P., Nymeijer, K., Metz, S., Wessling, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Current+status+of+ion+exchange+membranes+for+power+generation+from+salinity+gradients.">Current status of ion exchange membranes for power generation from salinity gradients.</a> Journal of Membrane Science. 319, 214-222 (2008).</li><li>Geise, G. M., Curtis, A. J., Hatzell, M. C., Hickner, M. A., Logan, B. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Salt+concentration+differences+alter+membrane+resistance+in+reverse+electrodialysis+stacks.">Salt concentration differences alter membrane resistance in reverse electrodialysis stacks.</a> Environmental Science &amp; Technology Letters. 1, 36-39 (2014).</li></ol>

Het werkingsprincipe van het RED wordt voornamelijk gedomineerd door de fysisch-chemische eigenschappen van het membraan, wat een cruciaal onderdeel is van het RED-systeem, zoals geïllustreerd in figuur 3. Hier beschrijven we de fundamentele kenmerken van het membraan voor het leveren van een hoogwaardig RED-systeem. De specifieke ionendoorlaatbaarheid van het membraan zorgt ervoor dat het één type ionen door hun polymeernanokanaal passeert. Zoals de naam al doet vermoeden, kan CEM kation...

Energiewinning uit natuurlijke hulpbronnen is een economische methode die milieuvriendelijk is, waardoor onze planeet groen en schoon wordt. Tot nu toe zijn verschillende processen voorgesteld om energie te winnen, maar omgekeerde elektrodialyse (RED) heeft een enorm potentieel om het probleem van de energiecrisis te overwinnen1. Energieproductie uit omgekeerde elektrodialyse is een technologische doorbraak voor het koolstofvrij maken van wereldwijde energie. Zoals de naam al doet vermoeden, is RED een omgekeerd proces, waarbij het alternatieve celcompartiment wordt gevuld met de hooggeconcentreerde zoutoplossing en zoutarme oplossing2. Het chemische potentieel dat wordt gegenereerd door het zoutconcentratieverschil tussen de ionenuitwisselingsmembranen, verzameld uit de elektroden aan het uiteinde van het compartiment.
Sinds het jaar 2000 zijn veel onderzoeksartikelen gepubliceerd, die inzicht geven in het RED theoretisch en experimenteel3,4. Systematische studies naar de bedrijfsomstandigheden en betrouwbaarheidsstudies onder stressomstandigheden verbeterden de stackarchitectuur en verbeterden de algehele celprestaties. Verschillende onderzoeksgroepen hebben hun aandacht gericht op de hybride toepassing van RED, zoals ROOD met ontziltingsproces5,ROOD met zonne-energie6,ROOD met omgekeerde osmose (RO) proces5, ROOD met de microbiële brandstofcel7en ROOD met het radiatieve koelproces8. Zoals eerder vermeld, is er veel ruimte bij het implementeren van red's hybride applicatie om het energie- en schoonwaterprobleem op te lossen.
Verschillende methoden zijn gebruikt om de prestaties van de RODE cel en de ionenuitwisselingscapaciteit van het membraan te verbeteren. Het afstemmen van de kationenuitwisselingsmembranen met verschillende soorten ionen met behulp van sulfonzuurgroep (-SO3H), fosfonzuurgroep (-PO3H2)en carboxylzuurgroep (-COOH) is een van de effectieve manieren om de fysisch-chemische eigenschappen van het membraan te veranderen. Anion-uitwisselingsmembranen zijn afgestemd op ammoniumgroepen ( <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/62309/62209eq1.jpg"> )9. De hoge ionische geleidbaarheid van AEM en CEM zonder de mechanische sterkte van het membraan te verslechteren, is de essentiële parameter voor het selecteren van een geschikt membraan voor toepassing van het apparaat. Het robuuste membraan onder spanningsomstandigheden zorgt voor mechanische stabiliteit van het membraan en verbetert de duurzaamheid van het apparaat. Hier wordt een unieke combinatie van hoogwaardige vrijstaande gesulfoneerde poly (etheretherketon) (sPEEK) als kationenuitwisselingsmembranen met FAA-3 als anion-uitwisselingsmembranen gebruikt in de RED-toepassing. Figuur 1 toont het stroomschema van de experimentele procedure.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62309/62309fig01.jpg"> Figuur 1: Procedureschema. Het stroomschema geeft de procedure voor de bereiding van het ionenuitwisselingsmembraan, gevolgd door het proces voor de meting van omgekeerde elektrodialyse. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62309/62309fig01large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.</a>

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>AEM based membrane</td>
			<td>Fumion</td>
			<td>P1810-194</td>
			<td>Ionomer</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CEM based membrane</td>
			<td>Fumion</td>
			<td>E550</td>
			<td>Ionomer</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Digital torque wrench</td>
			<td>Torqueworld</td>
			<td>WP2-030-09000251</td>
			<td>wrench</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Labview software</td>
			<td>Natiaonal Instrument</td>
			<td>-</td>
			<td>Software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Laptop</td>
			<td>LG</td>
			<td>-</td>
			<td>PC</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Magnetic stirrer</td>
			<td>Lab Companion</td>
			<td>-</td>
			<td>MS-17BB</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>N, N-Dimethylacetamide</td>
			<td>Sigma aldrich</td>
			<td>271012</td>
			<td>Chemical</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>N-Methyl-2- pyrrolidone</td>
			<td>Daejung</td>
			<td>872-50-4</td>
			<td>Chemical</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Peristaltic pump</td>
			<td>EMS tech Inc</td>
			<td>-</td>
			<td>EMP 2000W</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Potassium hexacyanoferrate(II) trihydrate</td>
			<td>Sigma aldrich</td>
			<td>P3289</td>
			<td>Chemical</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Potassium hexacyanoferrate(III)</td>
			<td>Sigma aldrich</td>
			<td>244023</td>
			<td>Chemical</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pressure Gauge</td>
			<td>Swagelok</td>
			<td>-</td>
			<td>Guage</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Reverse electrodialysis setup</td>
			<td>fabricated in lab</td>
			<td>-</td>
			<td>Device</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>RO system pure water</td>
			<td>KOTITI</td>
			<td>-</td>
			<td>Water</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Rotary evaporator</td>
			<td>Hitachi</td>
			<td>YEFO-KTPM</td>
			<td>Induction motor</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sodium Chloride</td>
			<td>Sigma aldrich</td>
			<td>S9888</td>
			<td>Chemical</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sodium Hydroxide</td>
			<td>Merk</td>
			<td>1310-73-2</td>
			<td>Chemical</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Source meter</td>
			<td>Keithley</td>
			<td>-</td>
			<td>2410</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Spacer</td>
			<td>Nitex, SEFAR</td>
			<td>06-250/34</td>
			<td>Spacer</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sulfuric acid</td>
			<td>Daejung</td>
			<td>7664-93-9</td>
			<td>Chemical</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tube</td>
			<td>Masterflex tube</td>
			<td>96410-25</td>
			<td>Rubber tube</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

ion-exchange membranes for the fabrication of reverse electrodialysis device

Omgekeerde elektrodialyse (RED) is een effectieve manier om stroom op te wekken door twee verschillende zoutconcentraties in water te mengen met behulp van kationenuitwisselingsmembranen (CEM) en anionuitwisselingsmembranen (AEM). De RED stack bestaat uit een afwisselende opstelling van het kationenuitwisselingsmembraan en het anion-uitwisselingsmembraan. Het RED-apparaat fungeert als een potentiële kandidaat om te voldoen aan de universele vraag naar toekomstige energiecrises. Hier, in dit artikel, demonstreren we een procedure om een omgekeerd elektrodialyseapparaat te fabriceren met behulp van CEM en AEM op laboratoriumschaal voor energieproductie. Het actieve gebied van het ionenuitwisselingsmembraan is 49 cm2. In dit artikel bieden we een stapsgewijze procedure voor het synthetiseren van het membraan, gevolgd door de assemblage en vermogensmeting van de stapel. Ook de meetcondities en de berekening van het nettovermogen zijn toegelicht. Verder beschrijven we de fundamentele parameters waarmee rekening wordt gehouden om tot een betrouwbaar resultaat te komen. We bieden ook een theoretische parameter die de algehele celprestaties met betrekking tot het membraan en de voedingsoplossing beïnvloedt. Kortom, dit experiment beschrijft hoe je RODE cellen op hetzelfde platform kunt assembleren en meten. Het bevat ook het werkingsprincipe en de berekening die worden gebruikt voor het schatten van het nettovermogen van de RED-stack met behulp van CEM- en AEM-membranen.

Nettovermogen RODE cel genereert over het algemeen elektrische energie uit de zoutgehaltegradiënt van de zoutoplossing, d.w.z. de beweging van ionen in de tegenovergestelde richting door het membraan. Om de RED-stapel correct te monteren, moet men alle lagen, inclusief elektroden, pakkingen, membranen en afstandhouders in de stapel zorgvuldig uitlijnen, zoals aangetoond in het schematische diagram in figuur 4 en figuur 5. Als de stapel niet ...

Watch this Scientific Journal Video about Ion-Exchange Membranes for the Fabrication of Reverse Electrodialysis Device at JoVE.com

Ion-Exchange Membranes for the Fabrication of Reverse Electrodialysis Device

We demonstreren de fabricage van een omgekeerd elektrodialyseapparaat met behulp van een kationenuitwisselingsmembraan (CEM) en anion-uitwisselingsmembraan (AEM) voor energieopwekking.

Ionenuitwisselingsmembranen voor de fabricage van omgekeerde elektrodialyse-apparaten

Reverse electrodialysis (RED) is an effective way to generate power by mixing two different salt concentrations in water using cation-exchange membranes ...

Dit protocol is een geluidsvrije, schone en duurzame manier om energie te produceren. Het kan het energiecrisisprobleem gemakkelijk oplossen door de waterziltingsgradiënt om te zetten in elektriciteit. De methode biedt een directe lijst voor het uitbreiden van het membraan met een groot gebied met uitstekende fysiochemische eigenschappen voor het genereren van efficiënt vermogen met behulp van RED.De uitgangsprestaties van het RED-apparaat kunnen worden opgeschaald en het membraan kan worden gebruikt in andere elektrochemische apparaten zoals phoresis- en redoxstroombatterijen. Homogene oplossingsvoorbereiding, filtratie, drogen, controletechnieken, wassen, membraanbehandeling, reguleren de reproduceerbare membraanprestaties. De stackuitlijning en optimalisatie van drukval zijn cruciaal voor het produceren van stabiele apparaatprestaties.Om een kationenuitwisselingsmembraan te bereiden, voegt u 5% gesulfiteerde polyetheretherketonvezels toe aan een ronde bodemkolf van 250 milliliter en lost u de vezels op in dimethylacetamide-oplosmiddel. Schud vervolgens de kolf gedurende 10 minuten, zodat alle ionomeerpolymeren zich op de bodem van de kolf nestelen. Plaats het mengsel in een siliconenoliebad met een magnetische roerstaaf en roer de oplossing krachtig met 500 omwentelingen per minuut gedurende 24 uur bij 80 graden Celsius om een homogene oplossing te verkrijgen.Filter de volgende dag 30 milliliter van de oplossing door een PTFE-filter van 0,45 micrometer in een ronde glazen schaal met een diameter van 18 centimeter. Gebruik een luchtblazer om eventuele bellen te verwijderen voordat u de schaal 24 uur in de oven zet bij 90 graden Celsius om een ongeveer 50 micrometer dik vrijstaand membraan te genereren. Om het vrijstaande membraan te extraheren, vult u de schaal met warm gedestilleerd water.Na 10 minuten zal het vrijstaande membraan loskomen van de schotel. Om het membraan te activeren, dompelt u het membraan gedurende twee uur onder in één molaire zwavelzuuroplossing bij 80 graden Celsius, gevolgd door ten minste drie wasbeurten van 10 minuten met één liter gedestilleerd water bij kamertemperatuur per wasbeurt. Los 10% in gewicht FAA-3 ionomeeroplossing op in NMP-oplosmiddel gedurende twee uur bij kamertemperatuur en 500 omwentelingen per minuut.Filter aan het einde van de incubatie ongeveer 30 milliliter oplossing door een poriezeef van 100 micron in een petrischaal van 18 centimeter. Nadat u eventuele luchtbellen hebt verwijderd, plaatst u de schotel 24 uur in een oven van 100 graden Celsius. Gebruik heet gedestilleerd water om het gedroogde membraan te extraheren zoals aangetoond en activeer het membraan gedurende twee uur in één liter natriumhydroxide.Was vervolgens het geactiveerde membraan drie keer met één liter gedestilleerd water per wasbeurt, zoals aangetoond. Knip na activering de kationen- en anionuitwisselingsmembranen door tot 49 vierkante centimeter. Om een RODE stapel te fabriceren, plaatst u een drie centimeter dikke PMMA-plaat met de elektrode naar boven gericht en plaatst u een rubberen pakking en afstandsstuk op de elektrode.Plaats het kationenuitwisselingsmembraan en het anionenuitwisselingsmembraan aan weerszijden van de pakking. Plaats een siliconen pakking en een afstandsstuk op elk membraan en plaats een tweede PMMA-plaat op de tweede laag afstandhouders en pakkingen. Gebruik vervolgens een digitale moersleutelaandrijving met een kracht van 25 newtonmeter om de installatie te beveiligen met moeren, bouten en ringen.Wanneer de stapel is geassembleerd, plaatst u een titanium gaaselektrode bedekt met een één-op-één mengsel van iridium en ruthenium aan het einde van elke plaat en gebruikt u krokodillenklemmen om de elektroden op de bronmeter aan te sluiten. Voeg ten minste twee uur voor de analyse vijf liter van een 0,01 molaire natriumarme natriumchlorideoplossing en vijf liter van een 0,6 molaire natriumchlorideoplossing toe aan individuele grote containers die zijn aangesloten op een peristaltische pomp en roer de oplossingen continu op kamertemperatuur. Om de RED-analyse uit te voeren, voegt u 0,05 molaire spoeloplossing toe aan een derde container en gebruikt u rubberen buizen om alle drie de containers via de peristaltische pomp en manometers op de RED-assemblage aan te sluiten.Stel het debiet van de spoeloplossing in op 50 milliliter per minuut en het debiet van de zoutoplossingen op 100 milliliter per minuut en controleer de slang om eventuele doorstroming of lekkage te voorkomen. Voer een manometermeting uit om er zeker van te zijn dat de meting stabiel is. Nadat de oplossingen ten minste vijf minuten door de stapel zijn gelopen, gebruikt u een bronmeter die is aangesloten op zowel de elektroden als de RED-stack om de omgekeerde elektrodialyse-uitgangsprestaties volgens de galvanische methode te meten.Het omgekeerde elektrodialyseapparaat fungeert als een potentiële kandidaat om te voldoen aan de universele vraag naar toekomstige energiecrises. Het verschil in de zoutgehaltegradiënt van de zoutconcentratie geeft aanleiding tot de open circuitspanning, die afhankelijk is van de interne weerstand van de omgekeerde elektrodialysestapel. In deze analyse was de maximale vermogensdichtheid voor de omgekeerde elektrodialysestapel ongeveer 0,7 watt per vierkante meter en de berekende netto vermogensdichtheid ongeveer 0,65 watt per vierkante meter bij een vast debiet.Zoals waargenomen, nam de vermogensdichtheid van de cel aanvankelijk toe tot de maximale stroomdichtheidswaarde voordat deze daalde als reactie op een toename van de interne weerstand van de RED-stack. Het is belangrijk om de slangaansluiting, oplossingsdoorstroming en vloeistoffen regelmatig te kruisen voor het produceren van efficiënte en stabiele prestaties. De bereiding van een uniform groot gebiedsmembraan zal de celprestaties destabiliseren zonder het membraan en de oplossingslekkage te vervuilen.Bovendien werkt het efficiënt onder stressomstandigheden.

Research

JoVE Journal

Engineering

Fabrication of VB2/Air Cells for Electrochemical Testing

Fabrication of VB2/Air Cells for Electrochemical Testing

Fabricatie van VB<sub&gt; 2</sub&gt; / Air Cellen voor elektrochemische testen

A technique to investigate the properties and performance of new multi-electron metal/air battery systems is proposed and presented. A method for ...

Fabrication of Uniform Nanoscale Cavities via Silicon Direct Wafer Bonding

Fabricage van uniforme nanoschaalholtes via Silicon Direct Wafer Bonding

Measurements of the heat capacity and superfluid fraction of confined 4He have been performed near the lambda transition using lithographically patterned ...

Patterning via Optical Saturable Transitions - Fabrication and Characterization

Patroonvorming via Optical Verzadigbare Transitions - fabricage en karakterisering

This protocol describes the fabrication and characterization of nanostructures using a novel nanolithographic technique called Patterning via Optical ...

Scanning Light Scattering Profiler (SLPS) Based Methodology to Quantitatively Evaluate Forward and Backward Light Scattering from Intraocular Lenses

Scanning Light Scattering Profiler SLPS Based Methodology to Quantitatively Evaluate Forward and Backward Light Scattering from Intraocular Lenses

Scanning Light Scattering Profiler (SLPS) gebaseerde methodologie om kwantitatief te evalueren voorwaartse en achterwaartse lichtverspreiding van intraculaire objectieven

The scanning light scattering profiler (SLSP) methodology has been developed for the full-angle quantitative evaluation of forward and backward light ...

Preparation of Large-area Vertical 2D Crystal Hetero-structures Through the Sulfurization of Transition Metal Films for Device Fabrication

Voorbereiding van groot-gebied verticale 2D Crystal Hetero-structuren door de Sulfurization van overgangsmetalen Films voor de fabricatie van apparaat

We have demonstrated that through the sulfurization of transition metal films such as molybdenum (Mo) and tungsten (W), large-area and uniform transition ...

Fabrication of Magnetic Nanostructures on Silicon Nitride Membranes for Magnetic Vortex Studies Using Transmission Microscopy Techniques

Fabricage van magnetische nanostructuren op siliciumnitride membranen voor magnetische Vortex Studies met behulp van Transmission microscopie technieken

Electron and x-ray magnetic microscopies allow for high-resolution magnetic imaging down to tens of nanometers. However, the samples need to be prepared ...

Fabrication of an Optical Cell Dryer for the Spectroscopic Analysis Cells

Fabricage van een optische cel droger voor de analyse van de spectroscopische cellen

Optical cells, which are experimental instruments, are small, square tubes sealed on one side. A sample is placed in this tube, and a measurement is ...

Hybrid Printing for the Fabrication of Smart Sensors

Hybride afdrukken voor de fabrikatie van slimme sensoren

A method to combine additively manufactured substrates or foils and multilayer inkjet printing for the fabrication of sensor devices is presented. First, ...

Fabrication of Nanoheight Channels Incorporating Surface Acoustic Wave Actuation via Lithium Niobate for Acoustic Nanofluidics

Fabricage van Nanoheight Channels waarin Surface Acoustic Wave Actuation via Lithium Niobate voor Akoestische Nanofluidics

Controlled nanoscale manipulation of fluids is known to be exceptionally difficult due to the dominance of surface and viscous forces. Megahertz-order ...

Pneumatically Driven Microfluidic Platform for Micro-Particle Concentration

Pneumatisch aangedreven microfluïdisch platform voor microdeeltjesconcentratie

The present article introduces a method for fabricating and operating a pneumatic valve to control particle concentration using a microfluidic platform. ...